本所李翔傑教授榮獲「國科會112年度吳大猷先生紀念獎」，特此恭賀！

The Progress in the Colloidal Quantum Dot Based Color Conversion Layer

Professor Chien-chung Lin

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

臺灣大學光電所 林建中教授

The progress in the past few years has put micro LED and related technologies in the roadmap for the next generation of smart displays. One of the key issues is the realization of a full-color display with a reasonable power consumption and footprint. The color conversion mechanism was often discussed in this direction and several labs around the world have demonstrated that this is feasible. There are many examples that can show great effects of color conversion: phosphors, chemical dyes, light emitting organic materials or inorganic colloidal quantum dots (CQDs). Although these materials can usually reach a conversion efficiency of 60 or 70% or even higher, the incapability of micro-pattern has become a major problem for all. In order to pattern them into an array of pixels, we have to either cast these materials accurately one by one or to mix them with photosensitive resin. Either way takes tremendous efforts to achieve good results. Among these color conversion materials, colloidal quantum dots are very promising due to their high conversion efficiency and small sizes. In our lab, we focus on two methods of these nanoparticles [1-3]: direct dispense and mixing CQD with photoresist. With the collaboration between our lab and the ITRI team, we demonstrated several different results of CQDs with micro LEDs previously [1-3].

Recently, the team from GIPO (Prof. Chung-Chih Wu and us) and from NYCU（陽明交通大學）worked together to demonstrate a semiconductor grade color conversion layer [4]. The distance between the pixels can be determined by the semiconductor grade of process which can improve the accuracy of the array greatly. The direct dispense method can ensure the highest concentration of CQDs presenting in each pixel. At the same time, we applied a reflective mirror on the top of this color conversion layer to enhance the photon recycling and a more-than-35% increase of CQD emission peak intensity was recorded. The corresponding numerical model was also developed under the incoherent reflection and transmission consideration. The result was just published in IEEE Photonics Journal and its website is: https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/10149805.

Reference:
[1] K.-L. Liang, W.-H. Kuo, H.-T. Shen, P.-W. Yu, Y.-H. Fang, and C.-C. Lin, "Advances in color-converted micro-LED arrays," Japanese Journal of Applied Physics, vol. 60, no. SA, p. SA0802, 2020/10/16 2020, doi: 10.35848/1347-4065/abba0f
[2] C.-C. Lin, K.-L. Liang, W.-H. Kuo, H.-T. Shen, C.-I. Wu, and Y.-H. Fang, "Colloidal Quantum Dot Enhanced Color Conversion Layer for Micro LEDs," IEICE Transactions on Electronics, vol. E105.C, no. 2, pp. 52-58, 2022, doi: 10.1587/transele.2021DII0005
[3] Y.-M. Huang et al., "The Aging Study for Fine Pitch Quantum-Dot Array on LEDs," in Conference on Lasers and Electro-Optics, San Jose, California, 2019/05/05 2019: Optical Society of America, in OSA Technical Digest, p. SF2O.2, doi: 10.1364/CLEO_SI.2019.SF2O.2
[4] G. Y. Lee et al., "Photonic Characterization and Modeling of Highly Efficient Color Conversion Layers With External Reflectors," IEEE Photonics Journal, vol. 15, no. 4, pp. 1-10, Art no. 2201110, 2023, doi: 10.1109/JPHOT.2023.3285667

論文題目：以同調聲子探討二維二硫化鉬介面之凡德瓦力彈性耦合與光聲換能器之應用

姓名：王鵬瑞   指導教授：孫啟光教授

摘要

二維材料之間的凡德瓦力耦合現象，影響了二維光電元件的諸多特性，因此若能針對凡德瓦介面的品質進行非破壞性的偵測，對於未來的大面積合成是重要的。在本研究中，我們以預鍍過渡金屬再硫化的技術製備單層與數層的二硫化鉬，並利用皮秒超聲波技術探索其與轉貼之後的凡德瓦介面之特性。本論文的目標是以同調聲子揭露二硫化鉬其層間凡德瓦力的關鍵參數，轉貼於氮化鎵基板以實現其作為光聲換能器的用途，並探討該第二型異質接面之間的電荷轉移與熱聲子的形成機制。藉由超快雷射對雙層與三層的二硫化鉬進行激發-探測實驗，我們精確測量了所有呼吸模態，引入基板彈性耦合與次近鄰交互作用的模型以計算介面之間的凡德瓦力強度，而進一步考慮了層內之強共價鍵結的彈性串聯，我們提供更深一層的修正模型。在轉貼二硫化鉬於氮化鎵基板上所形成的第二型異質接面，我們在其載子動力學訊號中發現了布里淵震盪，證實了該介面向基板內發出了聲學聲子。藉由量子阱作為光聲換能器，我們在時域上量測了其兆赫聲學音波，其形似一個非對稱的雙極波型。最後我們建立了一系列的理論解釋該特殊波形的形成機制，並藉由實驗數據與模擬的擬合，提供了如電子-聲子耦合與電荷轉移等諸多關鍵參數。 圖一、(a) 雙層與三層MoS2樣品之TEM影像。(b) 以飛秒雷射進行激發-探測實驗示意圖。(c) 移除背景訊號後顯示的震盪對光學訊號之調變。(d) 頻譜分析顯示所有呼吸模態。 圖二、(a) 兆赫音波激發與偵測區域之示意圖。(b) 異質接面產生的應變波之週期性光學干涉形成了布里淵震盪。(c) 由上到下分別為轉貼後的呼吸模態、MoS2/GaN介面產生的音波、與量子阱發出之脈衝音波。

— 資料提供：影像顯示科技知識平台 (DTKP, Display Technology Knowledge Platform) —

— 整理：林晃巖教授、林珈慶 —

大量的超穎透鏡

超穎透鏡（Metalenses）利用次波長結構化表面，提供優於傳統透鏡的緊湊對焦平台，具有超越尺寸的優勢，例如減少色差。然而，超穎透鏡的商業可行性取決於克服製造方面成本的挑戰。

現在，來自韓國的 Joohoon Kim、Junhwa Seong、Wonjoong Kim 及其同事已經展示了大孔徑可見光超穎透鏡之低成本與高輸出率的大規模生產（Nat. Mater. 22, p. 474–481, 2023）。這種方法結合了193奈米波長的深紫外氟化氬沉浸式光微影、晶圓尺度的奈米壓印微影以及由混合原子層-聚合物樹脂組成的高折射率材料。一個印製的12英吋主模具（如圖1b所示）實現了厘米尺度超穎透鏡的大規模陣列製造。最後，團隊還展示了一個原型超穎透鏡積體化的虛擬現實平台，能夠以紅、綠、藍三種顏色顯示虛擬影像。

該研究的通訊作者之一 Junsuk Rho 解釋了這項工作的動機是為了開發一種真正低成本、高透光且可擴展的超穎透鏡製造方法，尤其是在可見光波長頻段下需要小於100奈米解析度製造的。Rho 提到，雖然電子束微影提供了足夠的解析度，但這種方法昂貴、耗時，且對於大面積製造不實用。他還解釋說，奈米壓印微影是一個選擇，但問題在於樹脂的折射率；只有少數材料可以使用，且它們的折射率相對較低。

Rho告訴《Nature Photonics》說：「我們先前透過將壓印的樹脂本身作為超穎原子來簡化製程，但樹脂的折射率（約為1.5）通常太低，無法應用於可見光的超穎表面。」他繼續說：「為了解決這個問題，我們使用原子層沉積技術，在超穎原子上塗上一層薄薄的高折射率二氧化鈦（TiO₂）薄膜，以增強超穎原子的雙折射效應，從而使轉換效率大幅提高（從10%增加到90%）。這層二氧化鈦薄膜只有約20奈米厚度。」

根據Rho的說法，其中一個挑戰是壓印後殘留層的問題。Rho解釋說：「殘留層可能對於所製作的元件的目的或功能方面至關重要。」他補充道：「此外，我們的方法仍然依賴電子束微影技術來創建最初的4厘米尺寸光罩，因此還需要解決對電子束微影的依賴問題。」

這個製程與CMOS製程兼容，可能適用於各種基板。此外，主模具和壓印模具可重複使用超過20次。最後，Rho指出這種方法可以擴展到製作紫外和深紫外超穎表面，這在高解析度成像、光學微影和生物感測方面可以發揮作用。